Was ist der Massenmodul?

Materialien können im Allgemeinen komprimiert werden, wenn sie äußeren Drücken ausgesetzt werden, die auf ihre Oberflächen ausgeübt werden. Die Verringerung des Volumens eines Materials unter einem gegebenen Druck variiert stark von Material zu Material. Gase lassen sich im Allgemeinen am leichtesten unter Druck verdichten, während Feststoffe relativ wenig und sehr schwer verdichtet werden können. Der Volumenmodul ist eine Materialeigenschaft, die den Grad der Druckfestigkeit eines Materials angibt. Es kann auch mit einer Reihe anderer Begriffe wie dem Volumenelastizitätsmodul, dem Kompressionsmodul und anderen bezeichnet werden.

Man kann es sich als Kehrwert der Kompressibilität vorstellen. Ein hoher Volumenmodul für ein Material weist auf eine relativ hohe Kompressionsbeständigkeit hin, was bedeutet, dass es schwer zu komprimieren ist. Ein niedriger Wert weist auf einen relativ geringen Druckwiderstand hin, dh das Material lässt sich relativ leicht komprimieren. So ist beispielsweise der Kompressionsmodul von Stahl um mehrere Größenordnungen größer als der von Luft, die mit einem Luftkompressor relativ leicht komprimiert werden kann.

Die Werte des Schüttmoduls eines Materials variieren in Abhängigkeit von Faktoren wie der Temperatur dieses Materials oder der darin eingemischten Luftmenge. Wenn sich ein Material erwärmt, dehnt sich sein Volumen im Allgemeinen aus, wodurch eine offenere physikalische Struktur entsteht, die leichter zusammengedrückt werden kann. In einem Material eingeschlossene Luft beeinflusst auch die physikalische Struktur eines Materials, wodurch dessen Volumenmodul beeinflusst wird.

Einige Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser oder Hydraulikflüssigkeit, werden manchmal beiläufig als inkompressible Flüssigkeiten bezeichnet. Dies ist nicht genau richtig, aber da ihre Kompressibilitäten relativ gering sind, kann der Volumenmodul bei einigen technischen Berechnungen vernachlässigt werden. Unter bestimmten Umständen, wie z. B. in manchen Hochdrucksituationen, muss sie jedoch berücksichtigt werden, um eine ordnungsgemäße Systemauslegung und -funktion zu gewährleisten.

Beispielsweise kann die Leistung von Hydraulikgeräten unter sehr hohem Druck beeinträchtigt werden, wenn der Schüttmodul der Hydraulikflüssigkeit bei der Systemauslegung nicht berücksichtigt wird. Dies liegt daran, dass etwas Energie beim Komprimieren des Hydraulikfluids aufgewendet wird, anstatt direkt auf die Arbeit der Ausrüstung zu fließen. Die Flüssigkeit im System muss so weit komprimiert werden, dass sie einer weiteren Kompression standhält, bevor auf das Gerät und die Last eingewirkt wird. Die Ableitung von Energie von der Hauptaufgabe kann sich auf die Position des Geräts, die verfügbare Leistung für die beabsichtigte Funktion, die Reaktionszeit usw. auswirken.

Der Schüttmodul ist in Bezug auf Feststoffe weniger häufig ein interessantes Merkmal, da sie typischerweise extrem schwer zu komprimieren sind, aber er ist unter bestimmten Umständen relevant. Die Geschwindigkeit, mit der sich Schall durch einen Festkörper ausbreitet, hängt teilweise vom Schüttmodul des Materials ab. Die Energiemenge, die in einem Festkörper gespeichert werden kann, hängt ebenfalls mit dieser Eigenschaft zusammen, so dass sie für die Untersuchung von Erdbeben und seismischen Wellen relevant ist.
Als mathematische Funktion wird diese Materialeigenschaft als Verhältnis des aufgebrachten Drucks zur Volumenänderung des Stoffes pro Volumeneinheit ausgedrückt. Dies ergibt einen Wert, der in den gleichen Einheiten ausgedrückt wird, mit denen der Druck ausgedrückt wird, da sich die Volumeneinheiten aufheben. In grafischer Form ist dies die Steigung der Kurve, die durch Auftragen der auf ein Material aufgebrachten Drücke gegen die entsprechenden spezifischen Volumina des Materials bei diesen Drücken gebildet wird.